在原子尺度上，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了環(huán)境濕度和官能團(tuán)對(duì)石墨烯臺(tái)階滑動(dòng)粘附行為的影響。在滑動(dòng)過程中，環(huán)境水在界面分離和附加鈍化方面起著雙重作用。對(duì)于金剛石尖端，石墨烯臺(tái)階的功能化表現(xiàn)出不同的化學(xué)性質(zhì)。羥基鈍化石墨烯臺(tái)階由于具有較高的化學(xué)活性及其參與形成過濾器，可以破壞界面水層，從而顯著提高界面接觸面積和界面結(jié)合強(qiáng)度。氫原子鈍化后的石墨烯臺(tái)階對(duì)界面水層的影響較小，且無明顯的粘附現(xiàn)象。此外，石墨烯臺(tái)階的存在顯著降低了石墨烯片的耐磨性。而不同的環(huán)境條件和官能團(tuán)又會(huì)對(duì)其有不同程度的削弱。一般來說，石墨烯片在水環(huán)境中的耐磨性要優(yōu)于真空環(huán)境。排除環(huán)境濕度的影響，氫鈍化石墨烯臺(tái)階邊緣的耐磨性優(yōu)于羥基鈍化的。這項(xiàng)工作為石墨烯臺(tái)階滑動(dòng)粘附行為的過程和機(jī)制提供了新的和進(jìn)一步的見解。
圖1. (a)水環(huán)境中，金剛石尖端在少層石墨烯臺(tái)階邊緣上滑動(dòng)的MD模擬模型。(b)與水分子相互作用制備的金剛石尖端。石墨烯臺(tái)階邊緣被(c)羥基和(d)氫原子部分鈍化。圖中靠近石墨烯片的水分子的下部。
圖2.在水環(huán)境中被羥基鈍化的石墨烯臺(tái)階滑動(dòng)時(shí) (a)粘附力的變化和(b)尖端COM的位置隨滑動(dòng)距離的變化。
圖3.在水環(huán)境中被氫原子鈍化的石墨烯臺(tái)階滑動(dòng)時(shí)(a)粘附力的變化和(b)尖端COM位置隨滑動(dòng)距離的變化。
圖4. 在水環(huán)境中被(b)羥基和(c)氫原子鈍化的石墨烯臺(tái)階滑動(dòng)時(shí)(a)實(shí)際接觸面積和界面水分子數(shù)隨滑動(dòng)距離的變化。
圖5. 在水環(huán)境中(a) 127.5 ps,(b) 175.5 ps(c) 188.5 ps時(shí)羥基鈍化的石墨烯臺(tái)階模型滑動(dòng)與界面化學(xué)反應(yīng)原子圖。
圖6. 在(a)真空和(b)水環(huán)境中，爬上被羥基或氫原子鈍化的臺(tái)階邊緣前后，平均粘附力對(duì)施加的法向載荷的依賴。
圖7. 在(a) 175 ps、(b) 225 ps和(c) 420 ps時(shí)載荷為19 nN的真空環(huán)境下，羥基化臺(tái)階模型中界面鍵形成的磨損過程的模擬快照。
相關(guān)研究成果由重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Hao Fu等人于2021年發(fā)表在Tribology Letters (https://doi.org/10.1007/s11249-021-01481-3)上。原文：Effects of Environmental Moisture and Functional Groups on the Sliding Adhesive Behaviour of Graphene Steps。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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